中紅外高速成像是解析燃燒動力學、分子反應過程及熱輻射演化等瞬態現象的重要手段。相較于可見光成像，中紅外波段可直接表征分子振轉能級及熱輻射信息，因而在化學分析、熱過程監測和生命健康研究中具有獨特優勢。然而，傳統中紅外探測器普遍存在暗電流大、熱噪聲強、讀出速度低等問題，通常依賴低溫制冷，難以在短積分時間內兼顧高信噪比和高幀率成像。由此，“高靈敏探測”與“高時間分辨”之間的內在矛盾，長期制約著中紅外瞬態成像的發展。
針對上述瓶頸，編碼曝光等計算成像方法通過重塑系統的時間頻率響應，為提升時間分辨率提供了新途徑。然而，其在中紅外波段的應用仍受到關鍵器件性能的制約：一方面，高速調制器的缺乏限制了有效時間編碼自由度；另一方面，盡管頻率上轉換技術可借助硅基探測器實現高靈敏、低噪聲探測，其成像速率仍受限于相機讀出帶寬與片上存儲能力。此外，現有空間光調制器帶寬通常僅在約10 kHz量級，使單位曝光時間內可實現的時間采樣數受限，從而在時間分辨率、空間視場與信噪比之間引入內在權衡。因此，實現兼具高靈敏度與高時空分辨率的中紅外瞬態成像仍頗具挑戰。
據麥姆斯咨詢報道，近日，華東師范大學曾和平教授與黃坤教授團隊在中紅外高速成像領域取得重要進展。研究團隊提出并展示了一種基于非線性結構門控的中紅外運動去模糊新方法，將計算成像的時間編碼機制與頻率上轉換的高靈敏探測優勢有機結合，在單次曝光條件下實現中紅外動態場景的高保真重建，有效緩解了時間分辨率、探測靈敏度與運動模糊之間的固有制約。該工作為實現高速、高靈敏中紅外瞬態成像提供了新范式，在燃燒場診斷、化學動力學與生物醫學傳感等領域具有應用前景。相關研究成果以“Mid-infrared motion deblurring via nonlinear structured gating”為題發表在Photonics Research期刊上。
為突破中紅外瞬態成像中“調制受限—探測受限”的雙重瓶頸，黃坤研究員與曾和平教授團隊提出并實驗驗證了一種基于非線性結構門控的中紅外運動去模糊新方法（如圖1）。該方法將計算成像的時間編碼機制與頻率上轉換的高靈敏探測優勢有機融合，在單次曝光條件下實現了中紅外動態場景的高保真重建，從而有效繞開中紅外波段缺乏高速調制器與高性能探測器的關鍵限制。
圖1 非線性全光時域編碼的中紅外運動去模糊概念圖
具體而言，研究人員將高帶寬時間調制加載至近紅外泵浦光（1030 nm），通過非線性和頻過程將編碼序列映射至中紅外光場（3070 nm），實現對目標場景的全光學時間門控。這一過程將原本不可逆的運動模糊轉化為可解碼的結構化信號，不僅規避了對中紅外光場的直接高速調制需求，還使成像系統的有效時間分辨率由相機讀出幀率轉而由泵浦調制速率主導，從而顯著拓展系統的時間頻率響應。同時，該方法支持從二值到灰度的連續編碼，在充分發揮硅基探測器高靈敏度與低噪聲優勢的基礎上，結合反演算法實現高頻空間信息的穩定恢復，最終重建出清晰的高速運動目標。
圖2 非線性結構門控的中紅外運動去模糊實驗裝置圖
實驗結果表明，該系統實現了最高50 kHz的非線性結構門控速率，可高保真恢復時間分辨率達20 μs的中紅外瞬態圖像，驗證了其在高速運動去模糊中的有效性。尤其在光子匱乏的低照度條件下，相較于短曝光成像因光子通量不足而導致的信噪比快速劣化，該方法通過在擴展積分時間內進行時間編碼，實現了時間分辨率與光子預算的有效解耦。這一機制在避免短曝光噪聲代價的同時，仍能保持高探測靈敏度，并通過編碼反演精準恢復被運動模糊掩蓋的精細結構。
圖3 不同照明強度下中紅外運動去模糊實驗結果
總結與展望
總體而言，這項研究通過非線性調控實現了中紅外光場的全光時域編碼與上轉換探測，構建了兼具高靈敏度與高時間分辨率的中紅外瞬態成像通用框架。展望未來，結合更高重復頻率激光源與先進重建算法，有望進一步拓展系統帶寬并提升復雜動態場景下的成像能力。同時，該方法具備良好的波段可拓展性，可延伸至長波紅外乃至太赫茲波段，為特殊波段瞬態過程觀測提供有效手段。
近年來，研究團隊在中紅外計算成像方面開展了系列創新研究，先后發展了單光子單像素成像[Nature Comm. 14, 1073 (2023)]、高幀頻空間復用成像[Laser Photon. Rev. 19, 2500308 (2025)]、大景深非線性小孔成像[Optica 12, 1478 (2025)]、大視場邊緣增強成像[ACS Photonics 13, 991 (2026)]以及高分辨單光子時域鬼成像[Laser Photon. Rev. 20, 2502587 (2026)]等。相關工作得到了科技部、基金委、上海市科委、重慶市科技局與華東師范大學的資助。
http://dx.doi.org/10.1364/PRJ.580376
